Jets hypersoniques sondés par temps de déclin d'une cavité optique

267 Pages·2017·7.39 MB·French

Jets hypersoniques sondés par temps de déclin d’une
cavité optique: application à l’astrophysique de
laboratoire
Nicolas Suas-David
To cite this version:
NicolasSuas-David. Jetshypersoniquessondéspartempsdedéclind’unecavitéoptique: applicationà
l’astrophysique de laboratoire. Astrophysique [astro-ph]. Université Rennes 1, 2016. Français. ￿NNT:
2016REN1S009￿. ￿tel-01371606￿
HAL Id: tel-01371606
https://theses.hal.science/tel-01371606
Submitted on 26 Sep 2016
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ANNÉE 2016
THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1
sous le sceau de l’Université Bretagne Loire
pour le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1
Mention : Physique
Ecole doctorale Science De La Matière
présentée par
Nicolas Suas-David
préparée à l’unité de recherche UMR CNRS 6251, IPR
Institut de Physique de Rennes
UFR Sciences et Propriétés de la Matière
Thèse soutenue à Rennes
Jets Hypersoniques le 1er février 2016
devant le jury composé de :
sondés par
Séverine BOYE-PERONNE
spectroscopie Maître de Conférences, Univ. Paris Sud/rapporteur
Ajmal-Khan MOHAMED
Ing. Sén./Maître de Rech., ONERA/rapporteur
par temps de déclin
Michel HERMAN
Professeur, Univ. Libre de Bruxelles/examinateur
d’une cavité optique :
Laurent MANCERON
Directeur de Recherche, UPMC/examinateur
Application à Samir KASSI
Ing. de Rech., Univ. Joseph Fourier/examinateur
Brian MITCHELL
l’Astrophysique
Professeur, Univ. de Rennes 1/examinateur
Franck THIBAULT
de Laboratoire
Maître de Conférences, UR 1/co-directeur de thèse
Robert GEORGES
Professeur, UR 1/co-directeur de thèse

Résumé
Les télescopes terrestres et spatiaux recueillent une énorme quantité d’informa-
tions dans le domaine infrarouge en provenance d’objets astrophysiques « chauds »
(500-3000 K) tels que les atmosphères d’exoplanètes (Jupiters chauds), de naines
brunes et les enveloppes circumstellaires d’étoiles AGBs. Cette thèse s’inscrit dans
uneapproched’astrophysiquedelaboratoires’attachantàreproduirein situ certains
aspectsdesconditionsextrêmesrencontréesauseindecetyped’environnementsafin
notamment de produire des données haute température de molécules clefs.
Le nouveau dispositif mis en place à Rennes couple une Source Haute Enthal-
pie à un spectromètre par temps de déclin d’une cavité optique (CRDS). Le gaz
étudié, chauffé dans le réservoir à une température avoisinant 2000 K, est expulsé
dans une chambre basse pression au travers d’un injecteur circulaire. Le jet libre
hypersonique ainsi formé est sondé en tout point et avec une très haute sensibilité
(α = 4.10−11cm−1).
min
La simulation de nos écoulements stationnaires (CFD) associée à la modélisa-
tion du spectromètre a abouti à des spectres synthétiques en très bon accord avec
les spectres expérimentaux. Ces données numériques ont été utilsées pour expli-
quer l’origine des profils de raie atypiques et plus généralement pour comprendre la
structure des jets hypersoniques axisymétriques.
Le cœur isentropique de ces écoulements est caractérisé par de fortes conditions
hors équilibre. Une température de vibration très élevée (1350 K) et une tempé-
rature de rotation très basse (10 K) ont été obtenues à partir d’un jet de CO et
d’argon. Ce découplage des degrés de liberté internes permet de simplifier la struc-
ture rotationnelle des spectres enregistrés et facilite l’étude des états vibrationnels
excités des molécules en révélant la structure des bandes chaudes, absentes des bases
de données spectroscopiques pour la plupart des molécules polyatomiques. Une ap-
proche complémentaire consiste à sonder la couche de choc produite par l’ajout d’un
obstacle sur le trajet de l’écoulement. La température rotationnelle est brutalement
élevéedonnantainsiaccèsauxtransitionsrotationnellesdehautesvaleursdunombre
quantique J. Ces deux méthodes ont été appliquées avec succès au méthane qui joue
un rôle majeur dans de nombreux environnements astrophysiques chauds.
Enfin, outre la production de données spectroscopiques, ce dispositif expérimen-
tal a permis de mettre en évidence la relaxation des degrés de liberté internes du CO
dans différents gaz porteurs (He et Ar) en suivant l’évolution des températures de
rotation et vibration le long de l’écoulement hypersonique, aussi bien dans le cœur
isentropique qu’au sein des couches limites. Ces températures sont comparées aux
températures d’excitation obtenues par des méthodes ab initio afin de valider des
calculs de taux de collision.
Les données obtenues alimenteront à terme des bases de données, matière pre-
mière au développement de codes de transfert radiatif permettant d’interpréter les
observations en provenance des milieux astrophysiques « chauds ».
Abstract
Ahugequantityofinfraredspectraiscollectedbyterrestrialandspacetelescopes
from cool astrophysical objects (500-3000 K) like exoplanet (hot Jupiter) and brown
dwarf atmospheres or circumstellar envelop of AGB stars. The main purpose of this
thesis connected to experimental astrophysics is to provide high temperature data
ofkeymoleculesbyreproducinginthelaboratorysomeaspectsofsuchenvironments.
A new setup built in Rennes couples a High Enthalpy Source to a highly sensitive
Cavity Ring-Down Spectrometer (α = 4.10−11cm−1). The gas studied, heated in
min
the reservoir up to 2000 K, is expanded in a vacuum chamber through a circular
nozzle and the resulting hypersonic jet can be probed at any location. Computa-
tional flow dynamics (CFD) calculations associated to a modeling of the infrared
absorption lead to synthetic lines which are in very good agreement with the obser-
ved spectra. These numerical data were used to attribute the unusual double peak
line shapes to the particular flow structure of axisymmetric hypersonic jets.
Strong out-of-equilibrium conditions were evidenced in the isentropic core of the
expansion. High vibrational temperature (1350 K) and rotational temperature lower
than 10 K were recorded inside a jet of CO seeded in Ar. This degrees-of-freedom
decoupling greatly simplifies the rotational structure of the recorded infrared spec-
tra and unveils the presence of hot bands stemming from highly excited vibrational
states which are significantly populated at high temperature. Our approach is there-
fore well suited for the study of rotationally cold hot bands of polyatomic molecules
which are virtually missing in spectroscopic databases. A complementary approach
consists in probing the shock layer formed upstream of an obstacle set perpendicu-
larlytothehypersonicflowaxis.Rotationaltemperatureraisesabruptlydownstream
the shock, revealing transitions associated with high J quantum numbers. These two
methods were successfully applied to methane which plays an important role in nu-
merous astrophysical environments.
In addition to the acquisition of infrared spectroscopic data, the relaxation of
internal degrees-of-freedom of CO seeded in different carrier gases (Ar and He) was
studied by following the evolution of rotational and vibrational temperatures along
the flow, in the isentropic core as well as in the peripheral viscous layers. These
temperatures were compared to excitation temperatures calculated by an ab initio
method in order to validate collision rates.
These data will feed databases needed for the development of radiative transfer
codes with a view to a better modeling of spectra observed from "hot" astrophysical
environments.
Remerciements
Je remercie avant tout Mme Séverine BOYE-PERONNE et M. Ajmal Khan
MOHAMED pour l’attention qu’ils ont portée au rapport de mon manuscrit ainsi
qu’à M. Laurent MANCERON, M. Michel HERMAN, M. Samir KASSI et M. Brian
MITCHELL pour leur participation active à mon jury de soutenance.
Je tiens également à exprimer ma reconnaissance envers les nombreuses per-
sonnes dont le travail a permis d’enrichir considérablement cette thèse. M. François
LIQUE pour les calculs de taux de collision, Mlle Maud LOUVIOT, M. Vincent
BOUDON et M. Michael REY pour l’étude des spectres du méthane et l’équipe de
Bruxelles M. Thomas VANFLETEREN, M. Thomas FÖLDES et M. Michel HER-
MAN concernant la détection du dimère de l’eau. Je remercie bien sûr M. Arunan
ELANGANNAN, M. K.P.J REDDY et M. Rajakumar BALLA pour leur accueil
dans leur laboratoire lors de notre périple en Inde (qui restera d’ailleurs un souvenir
extraordinaire).
Les remerciements s’arrêteront ici car la fréquentation de l’ensemble des per-
sonnes du département de physique moléculaire n’a été rendue possible qu’au prix
d’un lourd travail d’adaptation tant physique que mental.
Mes reproches se portent avant tout à l’encontre de M. Robert GEORGES, qui
m’ayant appâté avec un stage de Master 2, est devenu, avec M. Franck THIBAULT,
mongrandgouroudethèse.Auseindecettesecteexpérimentale,jen’aipuatteindre
l’éveil cosmique ni assister aux grandes festivités en l’honneur du dieu science (dans
les sous-sols de l’IPR) mais j’ai pu laver mon esprit de toutes les futilités liées à
nos sociétés occidentales modernes (week-end, grasse mat’, etc.). Tes nombreux dé-
fauts (fan du film Gravity, intoxiqué aux expéditions montagnardes, etc.) sont en
partie contrebalancés par les quelques trucs (presque tout en fait ...) du métier de
chercheur que tu m’as transmis. Tu m’as quand même donné l’occasion de pouvoir
travailler dans une équipe formidable (profitez-en je ne serai pas gentil longtemps)
sur une manip passionnante (la meilleure en toute objectivité). Pour ces quelques
points positifs, je te promets de ne pas trop t’en vouloir dans les années à venir.
Mais les trois années de retard de sommeil accumulées n’auraient été rendues
possibles sans la complicité de bon nombre de personnes peu fréquentables qui ont
insidieusement permis la réalisation de ce travail.
M. Samir KASSI, sans qui la CRDS n’aurait pu voir le jour. Sans cette technique
diablement sensible et le savoir-faire de Samir, pas de spectre et donc pas de nuits
blanches à analyser les données. Je pense également à M. Ludovic BIENNIER (oui
promis je vais t’envoyer le spectre), à M. Abdessamad BENIDAR et nos réflexions
CFDiesques mais aussi à Mme Sophie CARLES, M. Ian SIMS, M. Jean-Luc LE
GARREC ainsi que, peut-être le pire d’entre tous, M. Sébastien LE PICARD (qui
d’ailleurs m’a refilé une raquette de squash à angle droit, pas très utile ...). Je ne
peux que dresser un constat amère de M. Jonathan COURBE et de l’équipe du pôle
mécanique M. Ewen GALLOU, M. Jacques SORIEUX, M. Yvonig ROBERT et M.
Didier BIET. Leur compétence et efficacité ont permis la réalisation du nouveau
v
dispositif en un temps record ne me donnant aucune excuse pour ne pas travailler.
Jenepeuxqu’envouloiràbonnombrede(post-)doctorantsquim’ontfaitperdre
un temps précieux par les discussions passionantes, hétéroclytes et inter-minables
durant les pauses cafés. M. Martin FOURNIER qui a répandu un courant révi-
sionniste au sein de l’équipe (Apple fanboys), Mlle Laura MERTENS qui m’aura
néanmoins permis d’améliorer ma prononciation anglais-US (TCHI-CAA-GO). Je
pense également aux gars du couloir du bas, M. Jérémy BOURGALAIS (le prochain
sur la liste noire de l’équipe astro), M. Michael CAPRON et bien sûr mon conseiller
d’orientation M. Baptiste JOALLAND (bon courage pour ton concours). Aux der-
niers arrivants, M. Hamza LABIAD et Mlle Nour JAMAL EDDINE, je ne pourrais
que leur conseiller de fuir tant qu’il en est encore temps.
Que dire de M. Jonathan THIEVIN, mon guide spirituel, me montrant la voie
(enfin, surtout les obstacles), connu également comme le planqué du seul bureau
chauffé. Il faut savoir qu’il n’a jamais été en mesure de prouver son obtention du
baccalauréat et encore moins de son certificat d’étude d’ailleurs. Les raclés que je
t’ai mis au squash ont été une source de réconfort inépuisable pendant la dernière
année de cette thèse. Le stage d’endoctrinement intense que tu m’as offert toi et ta
compagne Mlle Ina ARTIMOV pendant une semaine sur la presqu’île guérandaise
n’ont pas été de trop pour me préparer à la torture de la rédaction de la thèse.
« Quand je serai grand, je ferai Jonathan! » Il est à noter que cet immonde per-
sonnage a remplacé un vieux sans défense M. Daniel TRAVERS sans qui les mots
« interfaçage » et « automatisation » seraient encore inconnus de l’équipe (comme
quoi, même sénile on peut faire de grandes choses).
Au sein des autres axes du département, le constat n’est guère plus reluisant :
des gens pénibles rendant les journées bien longues.
Mes plus sombres pensées ne peuvent oublier l’équipe CPE (Contact Pourri Elec-
trique, officiellement Contact Plasma Environ). Julien LABBE qui a toujours une
petite bière dans son tiroir (bon courage pour la fin de la rédaction). Il tient ce toc
de son modèle dont il n’arrête de vanter les mérites, un autre grand gourou inter-
galctique, M. Erwann CARVOU (post-doctorant avec HDR) spécialiste des hautes
tensions et plus si affinité... M. Kevin POTARD très occupé par son hobby l’aqua-
ponney qu’il tente désespérément de cacher par un travail soi-disant très prenant
chez ECOBIO. M. Sofiane EL MOUSSOUES, le casse-cou de la bande (ou plutôt
le casse-jambe mais surtout casse-pied). Enfin la touche féminine de cette équipe de
brutes, Elsa YEE KIN CHOI sans qui la salle café ressembleraient aux sous-terrains
de l’IPR.
Je ne préfère pas m’étendre non plus sur les soi-disant « informaticiens » : M.
Guillaume RAFFY et M. Jérémy GARDAIS. Qu’il m’a été insupportable de venir
jusqu’à votre bureau pour essayer de vous enseigner les rudiments des commandes
UNIX.
L’axe Théorie et Simulation relève quelque peu le niveau bien que peu d’entres
eux semblent avoir entendu parler de l’équation de Schrödinger : Mme Alexandra
VIEL (merci pour tes enseignements lors de mon projet de Master 2) et M. Jean-
Michel LAUNAY.
Je dois également beaucoup à M. Vinayak KULKARNI, alias Jet Man. Tes ex-
plicationsalliantpragmatismescientifiqueetpoésiephilosophiquevontmemanquer.
vi
De même, au sein de l’IPR, il m’est arrivé de rencontrer des personnes presque
sympathiques. Les gestionnaires, Nathalie Gicquiaux, Nathalie MABIC et Stépha-
nie EVEILLARD qui ont su rester compréhensive même lorsqu’il me fallait une
semaine à temps complet pour réserver un billet de train. De même M. Jean-Pierre
LANDESMAN, Mme Nathalie CHOUTEAU et Mme Valérie FERRI ont toujours
été présents pour simplifier toutes les démarches. Je remercie également toutes les
personnes croisées dans les longs couloirs de l’IPR (notamment Erwann encore lui)
et plus particulièrement Mme Isabelle CADOREL sans qui je n’ose imaginer l’état
de décomposition avancé de nos bureaux.
Enfin, je remercie tous mes proches qui ont su être présents pour m’épauler.
Des amis : Aymeric LE GRATIET et Alban LEMOINE l’ex-parisien arriviste à
qui j’ai gracieusement refilé ma poisse légendaire. Ma "belle"-famille : Catherine (la
belle-mère n’est pas toujours si insupportable) et Jean-Luc (mon plus grand fan);
Christophe et Nathalie et leurs deux petites puces Laura et Marine (que j’essaye
d’endoctriner pour en faire de futures physiciennes). Ma tante préférée Anita et mon
oncle Yannick qui ont récemment acquis une propriété qui est enfin à la hauteur de
ma personne. Je pense aussi et surtout à mes grands-parents Gisèle et Jean SUAS
qui allient énergie (ma Mamie) et sagesse (mon Papi). Je ne sais comment remercier
ma Maman qui a toujours été à mes côtés malgré les tumultes de la vie. Enfin,
toutes mes pensées vont à ma compagne Cécile UZEL avec qui j’ai partagé ces sept
dernières années. Sans ton soutien, ton amour et ta patience, je n’aurais jamais eu le
courage et la force de poursuivre mes études et en particulier d’achever cette thèse.
Ce manuscrit est dédié aux producteurs de café d’Éthiopie et de Colombie
sans qui cette thèse (et beaucoup d’autres) n’aurait jamais pu aboutir.

Table des matières
Table des figures xx
Liste des tableaux xxii
Introduction 1
I Jets libres hypersoniques et astrophysique de labora-
toire 11
1 Modèles de mise en mouvement d’un fluide 12
1.1 Ecoulements supersoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.1 Régimes d’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.2 Equations bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.2.1 Conservation de la masse (équation de continuité) . . 14
1.1.2.2 Conservation de la quantité de mouvement . . . . . . 16
1.1.2.3 Conservation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Fluide parfait compressible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1 Equations d’Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2 Modélisation du cœur isentropique . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2.1 Enthalpie de l’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2.2 Propriétés thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.2.3 Paramètres au col . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.3 Ondes de choc et ondes de raréfaction . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.3.1 Ondes de choc droit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.3.2 Onde de choc oblique . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3 Fluide réel compressible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1 Modèle de Navier-Stokes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1.1 Loi de Newton-Stokes . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1.2 Loi de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1.3 Equations de Navier-Stokes . . . . . . . . . . . . . . 29
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2 Spectroscopie infrarouge 32
2.1 Profils de raie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.1 Elargissements homogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
viii